Influence of Vibration Frequency on Ultrasonic Tactile Displays

• Project/Area Number: 18KK0107
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 20:Mechanical dynamics, robotics, and related fields
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 高崎 正也 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10333486)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山口 大介 岡山大学, 自然科学学域, 助教 (00735657) ; 水野 毅 埼玉大学, 理工学研究科, 名誉教授 (20134645)
• Project Period (FY): 2019-02-07 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2021: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2020: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2019: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2018: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: ハプティクス / 皮膚感覚 / ディスプレイ / 超音波 / 摩擦制御

Outline of Annual Research Achievements

人の触覚のひとつ皮膚感覚を提示するデバイス「皮膚感覚ディスプレイ」であって，プレート形超音波振動子表面での摩擦制御を利用しているものを対象としている．本研究では，埼玉大学チームが15 MHzより周波数を下げていき，リール大学チームの協力を得て30 kHzより周波数を上げていくアプローチをとっている．超音波皮膚感覚ディスプレイを開発する際の超音波周波数選択の指標のためのデータベース構築を目指している．
後者のアプローチに向けて，200mm x 200 mm x 2.5 mmのガラス基板に共振周波数5 MHzの交差指電極を備えたLiNbO3基板を結合させ，ガラス基板に弾性表面波を励振できることを数値シミュレーションにより予測した．これに基づき，実験装置を製作し，ガラス基板への超音波振動の間接的励振を試みた．交差指電極の直交方向に波が伝搬し，バースト駆動に応じて皮膚感覚を提示できることを実験的に示した．
また，駆動周波数を2.5 MHzに下げる目的で，ガラス基板とメタルストリップアレイ電極を備えたPZT板を結合させることで，ガラス基板に弾性表面波を励振できることを数値シミュレーションにより予測した．50 mm x 50 mm x 0.5 mmのPZT板と前記ガラス基板を結合させ，結合の際のカップラントの検討を行った．シリコンオイルをカップラントとして，ガラス基板前面に超音波振動が分布することを実験的に確かめた．
圧電セラミクス板で800 kHz近傍に共振周波数を持つモードを詳細に分析した．異なるサイズの圧電セラミクス板を用意し，振動の分布と周波数を比較することで，1次対象モードのLamb波が伝搬しており，板サイズにより縦方向の定在波と横方向の定在波の周波数が一致したときに市松模様のモードが得られることがわかった．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2019年3月の打合せにて研究協力者（Frederic Giraud准教授とリール大学博士課程学生）との連携の基礎を築くことができたものの，以来，対面での打ち合わせが1度しかできていない．触覚に関わる研究であるため，直接装置に触れることが重要であるが，電子的なやりとりでは，それが制限されてしまう．
2023年度には，ガラス基板に間接的に超音波振動を励振する方法について2種類提案することができた．これにより，5 MHz，2.5 MHzの超音波振動を励振できる機構を提案することができた．ざらざら感のような皮膚感覚を提示できることを実験的に示すことができたが，皮膚感覚提示パフォーマンスと超音波振動周波数との関連について十分に調査できていないため，当初の計画よりも遅れていると判断した．

Strategy for Future Research Activity

研究期間を延長し，30 kHzより周波数を上げていくアプローチと15 MHzより周波数を下げていくアプローチの双方を加速させる．
金属板にPZT素子を貼り付けて振動子を構成するタイプの振動子では，リール大学に協力を仰ぎ，駆動回路を含めた高周波化を行っていく．中でも70kHz，160kHzといった振動モードを持つ振動子を計画していく．
15 MHzから周波数を下げていくアプローチでは，LiNbO3やPZTといった圧電材料とガラス基板を結合させて，5 MHz，2.5 MHzの超音波振動を励振できる機構を提案することができた．
超音波振動子を実際に皮膚感覚ディスプレイとして稼働させ，提示できる皮膚感覚について押下力を管理しながらさらになぞり速度も管理できるようにして心理物理実験を行ない，超音波を利用した皮膚感覚ディスプレイにおける周波数の影響について詳細に検討していく．

Research Products

• [Int'l Joint Research] リール大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Lille(フランス)
• [Presentation] 圧電アクチュエータを用いた平板表面でのクリック感の創出-第2報 平板面全体でクリック感提示可能なデバイスの製作- (2023)
  • Author(s): 横田壮一朗，石野裕二，高崎正也，水野毅
  • Organizer: 日本バーチャルリアリティ学会 ハプティクス研究委員会第30回研究会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 振動子及び振動装置 (2020)
  • Inventor(s): 高崎正也，木村碩志
  • Industrial Property Rights Holder: 埼玉大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2020-172041
  • Filing Date: 2020